JP2021041409A - 溶融金属の注湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取鍋底部に設けたスライディングゲートを経由して溶融金属を注湯する、溶融金属の注湯装置において、スライディングゲートからの吐出流の拡散を防止する。【解決手段】取鍋底部のスライディングゲート１は、それぞれのプレート２における流路孔６の流路軸線方向と摺動面垂直下流方向との間の流路軸線傾斜角度が５°以上７５°以下であり、摺動面流路軸線方向が、プレート相互間で相違し、下流に行くに従って時計回り方向あるいは反時計回り方向に変化することで、スライディングノズル１から流下した溶融金属の旋回流を形成する。スライディングノズル１を絞り状態としても、流下する溶融金属流の拡散を防止し、囲繞管１３内壁への地金付着を防止することができる。【選択図】図１

Description

本発明は溶融金属の注湯装置であり、特に、取鍋底部に設けたスライディングゲートを経由して溶融金属を注湯する、溶融金属の注湯装置に関するものである。

溶融金属、例えば溶鋼の連続鋳造においては、取鍋内に収容された溶鋼がタンディッシュに移注され、さらにタンディッシュから鋳型内に注入される。取鍋底部にはスライディングゲートなどの流量調整機構が設けられ、スライディングゲートの下流側のタンディッシュ内に溶鋼が移注される。取鍋底部のスライディングゲートからタンディッシュ内の溶鋼表面までの溶鋼流について、大気との接触による溶鋼酸化を防止するため、溶鋼流を大気雰囲気から遮断する手段が講じられる。通常は、注入管（連続鋳造用）あるいはロングノズルと呼ばれる、溶鋼流を取り囲む耐火物製の管が設けられる。ここでは注入管やロングノズルを総称して「囲繞（いじょう）管」と呼ぶこととする。

溶融金属、例えば溶鋼をインゴット鋳造するに際しても、取鍋内に収容された溶鋼が取鍋底部のスライディングゲートを通じて下方に流出し、鋳型（インゴットケース）内に鋳造される。上注ぎ鋳造であれば、取鍋の下方に鋳型を配置し、取鍋から鋳型内に溶鋼が注入される。下注ぎ鋳造であれば、取鍋の下方に注入管（インゴット鋳造用）を配置し、取鍋からスライディングゲートを通じて注入管内に溶鋼が注入され、注入管から定盤内の湯道を経由して鋳型内に溶鋼が注入される。

溶鋼の連続鋳造においては、鋳片を所定の一定鋳造速度で鋳造するので、タンディッシュから鋳型に注入される溶鋼注入速度は一定に保持される。タンディッシュ内の溶鋼量も一定に保持されるので、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入速度（トン／分）も一定に保持することが必要である。取鍋からの溶鋼注入速度は、取鍋底部のスライディングゲートの開度調整によって制御される。

スライディングゲートを通過する溶鋼（溶融金属）の注入速度（トン／分）は、スライディングゲート開口部を通過する溶鋼の流速（ｍ／分）とスライディングゲートの開口面積の積に比例する。そして、溶鋼の流速は、スライディングゲートにおける溶鋼ヘッド（取鍋内の溶鋼表面と下部ノズル下端の間の高度差）の平方根に比例することから、取鍋注入末期で溶鋼ヘッドが小さくなった時点では、スライディングゲート開口部を通過する溶鋼の流速（ｍ／分）が低下するため、スライディングゲートの開度を広げて、必要とされる溶鋼注入速度（トン／分）を確保する必要がある。そこで、スライディングゲートを構成するプレートの流路孔断面積（開度１００％のときのスライディングゲートの開口面積に相当する）は、取鍋の注入末期であって溶鋼ヘッドが最低のときでも十分な溶鋼注入速度（トン／分）を確保すべく、必要な流路孔断面積が採用される。取鍋注入初期から中期にかけては溶鋼ヘッドが大きいので、溶鋼注入速度を一定に保持する必要上、スライディングゲートの開度を絞って注入が行われることとなる。スライディングゲートは、絞り注入時に溶鋼流の拡散が生じることが知られている。

特許文献１には、連続鋳造において、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入流を取り囲む囲繞管として注入管を用いた例が開示されている。特許文献１によると、取鍋からの注入流がタンディッシュ内の溶鋼と衝突することにより主として発生するスプラッシュにより、注入管の内壁面に地金が付着・堆積し、正常な注入流による溶鋼の鋳込みができなくなる点が記載されている。

特開平５−２９３６１４号公報

溶鋼の連続鋳造を行うに際し、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注湯装置として、図１３に示す構造を有するものを用いた。取鍋２１底部にスライディングゲート１を有し、さらに、スライディングゲート１下方の下部ノズル１１と、下部ノズル１１の下方に囲繞管１３を有し、囲繞管１３の下端はタンディッシュ内の溶融金属２３（溶鋼）中に浸漬している。連続鋳造後の囲繞管内壁を調査したところ、内壁に地金付着が見られた。図１３中に地金付着部２６を示す。地金付着部２６の位置から、地金付着の原因は、スライディングゲートからの吐出流が拡散して囲繞管内部の地金付着部２６に付着したものが主体であると推定された。
このような囲繞管１３（注入管１４）への地金の付着・堆積は注入管の閉塞を引き起こし、連続鋳造のスループットを低下させるだけでなく、注入管の交換周期を短くさせるなど、操業のコストアップにつながる。
本発明は、取鍋底部に設けたスライディングゲートを経由して溶融金属を注湯する、溶融金属の注湯装置において、スライディングゲートからの吐出流の拡散を防止することを課題とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］取鍋内に収容された溶融金属を注湯するための注湯装置であって、
取鍋底部には溶融金属の流量を調整するスライディングゲートを有し、
前記スライディングゲートは溶融金属が通過する流路孔が形成された複数のプレートを有し、前記プレートのうちの少なくとも１枚のプレートは摺動が可能なスライド板であり、
それぞれのプレートにおける流路孔は、プレートの表面のうち、通過する溶融金属の上流側に位置する上流側表面に上流側表面開孔を形成し、下流側に位置する下流側表面に下流側表面開孔を形成し、上流側表面開孔図形の重心から下流側表面開孔図形の重心に向く方向を流路軸線方向とし、
プレートの摺動面に垂直な下流方向（以下「摺動面垂直下流方向」という。）と前記流路軸線方向とがなす流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下であり、
前記流路軸線方向を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向と呼び、スライディングゲートを閉とするときに前記スライド板を摺動する方向を摺動閉方向と呼び、摺動閉方向に対し、前記摺動面流路軸線方向が、前記摺動面垂直下流方向に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θ（±１８０度の範囲）と呼び、当該流路軸線回転角度θは、隣接するプレート間で異なっており、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付け、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1（Ｎは１以上の整数でプレートの枚数−１まで）としたとき、
角度Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であることを特徴とする溶融金属の注湯装置。
［２］前記スライディングゲートの下方に、スライディングゲートから流下する溶融金属流を取り囲むように配置した耐火物製の囲繞管と、取鍋から流下した溶融金属を収容する中間容器とを有することを特徴とする［１］に記載の溶融金属の注湯装置。
［３］前記囲繞管の内部空間は、円筒もしくは矩形の水平断面形状を有し、
スライディングゲートの流路孔の内径をＤとしたとき、前記囲繞管の内径は３×Ｄ以上であり、取鍋から流下する溶融金属流が大気から遮断されていることを特徴とする［２］に記載の溶融金属の注湯装置。
［４］スライディングゲートを形成するプレートの数が２枚もしくは３枚でありスライド板が１枚であることを特徴とする、［１］から［３］までのいずれか１つに記載の溶融金属の注湯装置。

取鍋底部に設けたスライディングゲートを経由して溶融金属を注湯する、溶融金属の注湯装置において、本発明により、スライディングゲートからの吐出流の拡散を防止することができる。
溶融金属をタンディッシュ内に注湯するための溶融金属の注湯装置として本発明を用いることにより、囲繞管（注入管）内を流下する溶湯流に旋回流を形成した上で、落下流が水平方向に広がることなく、不安定に揺らぐことなく、注入管に接触しないままに流下することで、注入管に地金が付着・堆積することを防ぎ、注入管が閉塞してスループットを低下させることがなく、注入管の寿命を短縮することがない。

本発明の溶融金属の注湯装置を示す概念断面図である。 本発明の溶融金属の注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）は下固定板のそれぞれ平面図、（Ｄ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図、（Ｆ）はＦ−Ｆ矢視断面図である。 本発明の溶融金属の注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 本発明のスライディングゲート内の流れを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 本発明の溶融金属の注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視断面図である。 本発明の溶融金属の注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図である。 本発明の上固定板の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視断面図である。 比較例のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視断面図である。 比較例のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図である。 従来のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）は下固定板のそれぞれ平面図、（Ｄ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図、（Ｆ）はＦ−Ｆ矢視断面図である。 従来のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと下部ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 下部ノズル先端からの吐出流の流線を示す図であり、（Ａ）は旋回流を形成した本発明例、（Ｂ）は旋回流を形成しない比較例である。 比較例の溶融金属の注湯装置を示す概念断面図である。 旋回流を形成した本発明例と旋回流を形成しない比較例について、スライディングゲートの開度と吐出流広がり角との関係を示す図である。 旋回流を形成した本発明例と旋回流を形成しない比較例について、囲繞管内壁への地金付着量を比較して示す図である。

本発明は溶融金属の注湯装置であり、特に、取鍋底部に設けたスライディングゲートを経由して溶融金属を注湯する、溶融金属の注湯装置に関するものである。溶融金属として、好ましくは溶鋼が用いられる。以下、溶融金属が溶鋼である場合を事例として説明を行う。

取鍋２１底部に配設するスライディングゲート１は、図１０、図１１に示すように、２枚もしくは３枚のプレート２を重ねて構成されたスライディングゲート１において、各プレート２には流路孔６が設けられている。スライディングゲート１を構成するプレートのうちのスライド板４を摺動させ、各プレートの流路孔６の重なりによってスライディングゲート１が「開」となっているとき、流路孔６の上流側から下流側に向けて溶融金属が流通する。プレート２の摺動面３０に垂直で下流方向に向かう方向（摺動面垂直下流方向３２）は、上から下に向かって鉛直下方に向いている。従来用いられているスライディングゲートにおいて、プレート２の流路孔６は、図１０、図１１に示すように、通常はその内周形状が円筒形であり、円筒の軸方向は摺動面垂直下流方向３２に平行に構成されている。スライディングゲート１の下部に下部ノズル１１が配設される。

鋼の連続鋳造においては、図１３に示すように、取鍋２１の下方に中間容器２２としてタンディッシュ２５が配置され、取鍋底部に設けたスライディングゲート１を経由して、溶鋼がタンディッシュ２５に移注され、さらにタンディッシュから図示しない鋳型内に注入される。取鍋底部に設けたスライディングゲート１が流量調整機構として機能する。取鍋底部のスライディングゲート１からタンディッシュ２５内の溶鋼表面（溶融金属表面２４）までの溶鋼流について、大気との接触による溶鋼酸化を防止するため、溶鋼流を大気雰囲気から遮断する手段として、溶鋼流を取り囲む囲繞管１３（注入管１４やロングノズル）が配置される。

前述のように、取鍋底部のスライディングゲート１を構成する各プレート２の流路孔６の断面積は、取鍋内の溶鋼ヘッドが最低のときでも十分な溶鋼注入速度を確保すべく、必要な流路孔断面積が採用される。取鍋注入初期から中期にかけては溶鋼ヘッドが大きいので、溶鋼注入速度（単位時間流量）を一定に保持する必要上、スライディングゲート１の開度を絞って注入が行われることとなる。スライディングゲート１は、絞り注入時に溶鋼流の拡散が生じることが知られている。溶鋼の連続鋳造において、上述のように、囲繞管１３の内壁の地金付着部２６に地金が付着した原因は、スライディングゲート１の開度を絞って絞り注入している際に、スライディングゲート１からの吐出流が拡散し、その結果として付着したものではないかと着想した。さらに、スライディングゲート１からその下方の下部ノズル内孔１２に流下した流下流に旋回運動を付与することにより、吐出流の拡散が低減可能なのではないかと着想した。

ここで、従来のスライディングゲートと、吐出流に旋回運動を付与できる本発明のスライディングゲートについて、図１〜図１１に基づいて説明する。

従来用いられているスライディングゲートにおいて、プレート２の流路孔６は、図１０、図１１に示すように、通常はその内周形状が円筒形であり、円筒の軸方向は摺動面垂直下流方向３２に平行に構成されている。これに対し本発明は、図２〜図７に示すように、流路孔６の向く方向を、摺動面垂直下流方向３２からある角度を持った斜孔とし、摺動面３０に投影した斜孔の方向を２枚ないしは３枚のプレートで異なった方向にしたものを適宜組み合わせることによって、スライディングゲート１及びその下流側の下部ノズル１１内部の溶融金属流について、下流側に向かう流れのみでなく、周方向流速を付加し旋回流を形成するのである。

流路孔６の断面形状として、通常は軸方向に垂直な断面が真円の円筒形状が用いられる。本発明のスライディングゲート１において、プレート２に形成される流路孔６は、円筒形状に限られるものではなく、また流路孔の軸方向についても、プレート内において変化するものであってもかまわない。そこでまず、プレート２に形成された流路孔６の軸線を定義することとする。

図１０によって、従来のスライディングゲート１の流路孔６について説明する。図１０のスライディングゲート１は、３枚のプレート２を有し、上流側から上固定板３、スライド板４、下固定板５からなる。各プレート２には、断面が真円の円筒形状であって、円筒の軸方向が摺動面３０に垂直下流方向（摺動面垂直下流方向３２）に向いた流路孔６が形成されている。各プレートの上流側表面を上流面７ｕ、下流側表面を下流面７ｄと呼ぶ。上流面７ｕにおいて流路孔６の内周面が形成する図形（上流側表面開孔）を上流開孔８ｕと呼ぶ。また、下流面７ｄにおいて流路孔６の内周面が形成する図形（下流側表面開孔）を下流開孔８ｄと呼ぶ。図１０に示す例では流路孔６の円筒形状の軸線が摺動面に垂直であるため、図１０（Ａ）〜（Ｃ）においては、上流開孔８ｕと下流開孔８ｄが重なっている。上流開孔８ｕ、下流開孔８ｄの形状をそれぞれ図形と見なすと、当該図形の重心を定義することができる。それぞれ、上流側表面開孔図形重心を上流開孔重心９ｕ、下流側表面開孔図形重心を下流開孔重心９ｄと呼ぶこととする。図１０に示す例では、上流開孔８ｕ、下流開孔８ｄともに図形形状が真円であるため、上流開孔重心９ｕ、下流開孔重心９ｄは真円図形の中心と一致している。次に、上流開孔重心９ｕと下流開孔重心９ｄを通過し、下流側に向く方向を、流路軸線方向１０と定義する。図１０に示す例では、流路軸線方向１０は摺動面垂直下流方向３２と同じ方向となる。図１０（Ｆ）おいて、一点鎖線で描写した線が流路軸線方向１０である。

次に図２によって、本発明のスライディングゲート１の流路孔６について説明する。図２のスライディングゲート１は、３枚のプレートを有し、上流側から上固定板３、スライド板４、下固定板５からなる。各プレートには、軸方向断面が真円の円筒形状であって、円筒の軸方向が摺動面垂直下流方向３２から傾いた方向となる流路孔６が形成されている。図２（Ａ）（Ｆ）により、上固定板３を例にとって説明する。図２（Ｆ）は図２（Ａ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。円筒の軸方向と摺動面垂直下流方向３２とが傾いているため、図２（Ａ）において上流開孔８ｕと、下流開孔８ｄが異なった位置に描かれている。軸方向断面が真円で、軸方向が摺動面垂直下流方向３２から傾いた円筒形状であるため、上流開孔８ｕと下流開孔８ｄとはそれぞれ僅かに真円から外れた楕円を形成している。ただし、図面上は便宜上真円として描画している。上流開孔８ｕと下流開孔８ｄそれぞれの図形の重心を上流開孔重心９ｕ、下流開孔重心９ｄとして定めることができる。さらに、上流開孔重心９ｕと下流開孔重心９ｄとを通過して下流側に向くように、流路軸線方向１０を定めることができる。図２（Ｆ）において、一点鎖線で描写した線が流路軸線方向１０である。図２に示す例では、流路軸線方向１０は、流路孔６を形成する、軸方向断面が真円の円筒形状の軸線方向と一致している。ここにおいて、プレートの摺動面に垂直な下流方向（摺動面垂直下流方向３２）と流路軸線方向１０とがなす角度を流路軸線傾斜角度αとおく。ここで、流路軸線方向を定めるのに円の中心ではなく開孔重心を用いているのは、開孔形状が真円でない場合にも普遍的に流路軸線方向を定義するためである。

図１０に示す例では、上固定板３の下流開孔８ｄとスライド板４の上流開孔８ｕ、スライド板４の下流開孔８ｄと下固定板５の上流開孔８ｕが、それぞれ一致するように、スライド板４の摺動位置が定まっており、即ちスライディングゲート１は全開の状態である（図１０（Ｄ）参照）。図１０に示すスライディングゲート１は、スライド板４を図の左方向に移動することにより、スライディングゲート１の開度を小さくすることができる。図１１は、図１０と同じスライディングゲート１について、開度を１／２とした状態を示している。スライド板４の位置をさらに図の左側に移動することにより、スライディングゲート１を全閉とすることができる。図２、図３に示す例でも同様である。図２はスライディングゲート１が全開であり、上固定板３の下流開孔８ｄとスライド板４の上流開孔８ｕ、スライド板４の下流開孔８ｄと下固定板５の上流開孔８ｕが、それぞれ一致するように、スライド板４の摺動位置が定まっている。図３は図２と同じスライディングゲート１について、スライディングゲート１の開度が１／２の状態を示している。そこで、スライディングゲート１を閉とするときにスライド板４を摺動する方向を、以下「摺動閉方向３３」と呼ぶ。

図２に示す本発明の例では、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２に対して流路軸線傾斜角度αで傾いているため、流路軸線方向１０を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向３１としたとき、摺動面流路軸線方向３１を定めることができる。図２（Ａ）〜（Ｃ）、（Ｆ）それぞれ、摺動面流路軸線方向３１を細線矢印で示している。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）では、摺動面流路軸線方向３１は流路軸線方向１０と重なっている。また、図１０に示す例では、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２を向いているため、図１０（Ａ）〜（Ｃ）には摺動面流路軸線方向３１が現れない。

次に、摺動面流路軸線方向３１と摺動閉方向３３との間の角度関係について定義する。摺動閉方向３３に対し、摺動面流路軸線方向３１が、摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θと呼ぶ。流路軸線回転角度θは、±１８０°の範囲の角度として定義する。即ち、摺動面流路軸線方向３１が、摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りに＋１８０°を超える角度（θ’）となったときには、「θ＝θ’−３６０°」として、角度θをマイナスの値として定める。角度θの下添え字として、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付ける。代表してθ_Nと表現するとき、Ｎは１以上の整数でスライディングゲート１のプレート枚数までの数値を意味する。図２に示す例では、上固定板３は角度θ₁＝−４５°、スライド板４は角度θ₂＝＋９０°、下固定板５は角度θ₃＝−１
３５°となる。

さらに、スライディングゲート１において、相互に接する２枚のプレート間の流路軸線回転角度の関係について以下のように定義する。即ち、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1としてΔθ_Nを定める。Δθ_Nは、上記θ_Nと同様、±１８０度の範囲の角度として定義する。即ち、Δθ_Nが＋１８０°を超える角度（Δθ_N’）となったときには、「Δθ_N＝Δθ_N’−３６０°」として、Δθ_Nをマイナスの値として定める。また、Δθ_Nが−１８０°未満の角度（Δθ_N’）となったときには、「Δθ_N＝Δθ_N’＋３６０°」として、Δθ_Nをプラスの値として定める。これにより、Δθ_Nは±１８０°の範囲内の数字となる。ここで、Δθ_Nが０°超＋１８０°未満の場合には、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが反時計回りに変化していることを示す。逆に、Δθ_Nが−１８０°超０°未満の場合には、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが時計回りに変化していることを示す。図２に示す例では、Δθ₁＝θ₁−θ₂＝−１３５°、Δθ₂’＝θ₂−θ₃＝２２５°であるからΔθ₂＝Δθ₂’−３６０°＝−１３５°となる。Δθ₁、Δθ₂いずれも−１８０〜０°の範囲内にあるので、流路軸線回転角度が時計回りに変化していることを示す。

以上のような準備のもと、本発明のスライディングゲート１が具備すべき条件とその理由について説明する。

従来のスライディングゲート１においては、図１０、図１１に示すように、流路軸線方向１０が摺動面に垂直であり、即ち流路軸線傾斜角度αが０°であり、傾きを有していなかった。それに対して本発明は、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２に対して傾いており、流路軸線傾斜角度αが０°ではないことを第１の特徴とする。流路軸線が摺動面垂直下流方向３２に対して傾いていることから、プレート内を流れる溶融金属は、摺動面垂直下流方向３２の速度成分のみならず、摺動面垂直下流方向３２に対して直角の速度成分（水平方向の速度成分）を有することとなる。本発明においては、流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下である。角度αを５°以上とすることにより、溶融金属は十分な水平方向の速度成分を持つこととなり、下記に示すように下部ノズル内における旋回流の形成を可能とする。角度αは、好ましくは１５°以上、より好ましくは２５°以上である。一方、角度αが大きすぎると耐火物の強度確保や損耗抑制の観点から好ましくないので、角度αを７５°以下とする。角度αは、好ましくは６５°以下、より好ましくは５５°以下である。

連続鋳造中における取鍋底部のスライディングゲート１の開口状況について、一定鋳造速度で鋳造を行っている定常状態においては、取鍋内の溶鋼ヘッドが低下した注入の末期を除き、スライディングゲートの開口を全開（図１０参照）とするのではなく、開度を絞った状態（図１１参照）で鋳造が行えるよう、スライディングゲート流路孔断面積の選択が行われている。図１１はスライディングゲート１の開度が１／２である。この場合、スライディングゲート１の開口面積は、真円である流路孔の断面積の０．３１倍と計算される。

図３は、図２に示す形状の本発明のスライディングゲート１（開度全開）の開度を変更し、開度を１／２としたときのスライディングゲートを示している。図３（Ａ）は図３（Ｄ）のＡ−Ａ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、スライド板４については上流開孔８ｕ（４）のみが同じく一部実線、一部破線で描かれている。図３（Ｂ）は図３（Ｄ）のＢ−Ｂ矢視図であり、スライド板４の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、下固定板５の上流開孔８ｕが同じく一部実線、一部破線で、下流開孔８ｄが全部破線で描かれている。図３（Ｃ）は図３（Ｄ）のＣ−Ｃ矢視図であり、下固定板５の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれている。

図３に示すように開度を１／２としたときの、スライディングゲートの流路孔内及び下部ノズル内の溶融金属の流れについて、図４に基づいて説明を行う。図４において、図４（Ａ）は図４（Ｄ）のＡ−Ａ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、スライド板４については上流開孔８ｕのみが同じく一部実線、一部破線で描かれている。図４（Ｂ）は図４（Ｄ）のＢ−Ｂ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄ（３）の位置が２点鎖線で示され、スライド板４の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、下固定板５の上流開孔８ｕが同じく一部実線、一部破線で、下流開孔８ｄが全部破線で描かれている。図４（Ｃ）は図４（Ｄ）のＣ−Ｃ矢視図であり、スライド板４の下流開孔８ｄ（４）の位置が２点鎖線で示され、下固定板５の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれている。また、溶融金属の流線１８が、図４（Ａ）〜（Ｃ）には太線矢印で、（Ｄ）（Ｅ）には太破線矢印で示されている。

図２、図３のスライディングゲート１については、前述のように、隣接する流路軸線回転角度θ_Nの差Δθ_Nは、Δθ₁＝Δθ₂＝−１３５°であって、いずれもΔθ_Nが−１８０°超０°未満であるから、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが時計回りに変化していることを示す。上固定板３の流路孔６内を流れる溶融金属流は、図４（Ａ）に示すように、上固定板３の流路軸線方向１０に沿って流れる。上固定板３とスライド板４の接触面では、上固定板３の下流開孔８ｄ（図４（Ｂ）の２点鎖線）とスライド板４の上流開孔８ｕ（図４（Ｂ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面内を下流側に流下する。スライド板４の流路孔６内においては、上固定板３の下流開孔８ｄ（図４（Ｂ）の２点鎖線）とスライド板４の上流開孔８ｕ（図４（Ｂ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面から流出した溶融金属流は、図４（Ｂ）に流線１８を示すように、スライド板４の流路孔６の内側壁面（円筒面）に沿った旋回流を形成し、下流側の、スライド板４の下流開孔８ｄ（図４（Ｃ）の２点鎖線）と下固定板５の上流開孔８ｕ（図４（Ｃ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面から、さらに下固定板５の流路孔６内に流出する。下固定板５の流路孔６内では、図４（Ｃ）に流線１８を示すように、下固定板５の流路孔６の内側壁面（円筒面）に沿った旋回流を形成し、そのまま、下流側の下部ノズル１１内に流出し、図４（Ｄ）（Ｅ）に示すように、流路内で流線１８は旋回流を維持したまま、下部ノズル１１内を下流側に移動していく。

スライディングゲート１の流路孔６内に旋回流を形成し、スライディングゲート下流側の下部ノズル内においても旋回流を形成するための、隣接するプレートの流路軸線回転角度θ_N相互間の差である角度Δθ_Nの条件について説明する。前述のように、Δθ_Nは±１８０°の範囲内の角度として定義されている。ここにおいて、Δθ_N＝−１０°超かつ＋１０°未満の場合には、流路軸線回転角度θ_Nとθ_N+1の差異が小さすぎ、旋回流を形成できない。一方、Δθ_Nが＋１７０°以上又は−１７０°以下の場合、Δθ_Nの絶対値が大きすぎ、かえって旋回流の形成を阻害することとなる。スライディングゲート１が２枚のプレートを有する場合、Δθ₁のみが定義され、当該Δθ₁が上記条件を満たしていれば良い。スライディングゲート１が３枚以上のプレートを有する場合、Δθ₁に加え、Δθ₂、さらにはそれ以上のΔθ_Nが定義される。そして、Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であることが必要である。これにより、プレートの１枚目と２枚目の流路軸線方向１０が時計回りに変化するときには３枚目以降についても同じように時計回りに変化し、プレートの１枚目と２枚目の流路軸線方向１０が反時計回りに変化するときには３枚目以降についても同じように反時計回りに変化するので、スライディングゲート内で旋回流を有効に形成することが可能となる。Δθ_Nのより好ましい範囲は、３０°以上、１６５°未満、又は−１６５°超、−３０°以下である。

スライディングゲート１を形成するプレートの数は、２枚もしくは３枚であると好ましい。図２〜図４に示す例は、上述のとおり、プレートの数が３枚の場合である。図５、図６は、プレートの数が２枚であり、上流側から１枚目が上固定板３、２枚目がスライド板４を構成している。図５は開度が全開、図６は開度が１／２の場合である。α＝５１．９５°、θ₁＝−２６．５７°、θ₂＝＋２６．５７°であり、Δθ₁＝−５３．１４°であって、時計回りの旋回流を形成することができる。スライディングゲート１を形成するプレートの数が２枚もしくは３枚であると好ましい理由は、スライディングゲートの絞り機構発現には最低２枚のプレートが必要であり、４枚以上のプレートは流量調整に不要で、プレート数の増加に伴いコストが上昇するからである。

プレートに形成する流路孔６については、図７に示すような形状の流路孔６とすることもできる。図７は上固定板３の一例を示す。プレートの上流面７ｕから厚みの途中までは、流路孔６の形状は、断面真円の円筒形状であって、円筒の軸線が摺動面垂直下流方向３２に向いている。プレートの下流面７ｄから厚みの途中までは、流路孔６の形状は、断面真円の円筒形状であって、円筒の軸線が摺動面垂直下流方向３２から傾斜して形成されている。プレートの厚み途中において、上流面７ｕからの流路孔６と下流面７ｄからの流路孔６が段差なく接続されている。このような形状の流路孔６を有するプレートにおいても、図７（Ｄ）に示すように、上流側表面開孔図形の重心（上流開孔重心９ｕ）から下流側表面開孔図形の重心（下流開孔重心９ｄ）に向く方向を流路軸線方向１０として定義することができる。

なお、スライディングゲート１を構成するプレートの厚みは同一でもよいが、スライド板４が最も薄いなどプレート毎に厚みが異なっていても構わない。また、スライディングゲート各プレートの入口および出口の流路孔形状は同じ大きさの円でもよいが、これが楕円もしくは長円であっても、本発明の規定を満たす限りにおいては、旋回流を得ることが可能である。あるいはその開孔面積が各プレートの入口および出口で異なっていても構わない。

角度αについては、全てのプレートで同一であっても異なっていても構わない。

《水モデル実験》
取鍋底部のスライディングゲート１から流出する溶融金属流の挙動について、水モデル実験によってシミュレーションを行った。溶鋼の試験連続鋳造装置で用いる取鍋２１とその底部のスライディングゲート１について、１／１水モデル実験機を用意した。スライディングゲート１には、旋回運動を付与する本発明のスライディングゲート（以下「本発明ゲート」という。）と、従来通常に用いられていたスライディングゲート（以下「通常ゲート」という。）を用いた。本発明ゲートは、図２〜４に示すような、３枚のプレート２を有するスライディングゲート１とその下方に下部ノズル１１を有する形状であり、α_１＝α_３＝３５．５３１°、α_２＝３２°であり、θ_１＝３６．１０１°、θ_２＝９０°、θ_３＝−１４３．８９９°（３６．１０１−１８０）であり、下部ノズル１１の内孔に流下する溶鋼流に時計回りの旋回流を形成する。通常ゲートは、図１０、１１に示す形状を有し、α_１＝α_２＝α_３＝０°であり、θ_１、θ_２、θ_３は値がない。プレート２の流路孔の直径はいずれも４０ｍｍφ、プレート２の厚さは３０ｍｍである。スライディングゲート１の開度について、開度０ｍｍが全閉、開度４０ｍｍが全開となる。
取鍋２１内の水面と下部ノズル下端との高さ差（ヘッド）を１．５ｍ一定に保持した。スライディングゲート１の開度については、連続鋳造中における取鍋のスライディングゲートの開度（取鍋注入末期を除いて開度を絞って流量を調整する。）を想定して、１５ｍｍと２５ｍｍの２種類とし、下部ノズル１１の下端から流下する吐出流の挙動を評価した。

通常ゲートの吐出流の挙動を、図１２（Ｂ）に模式的に示す。吐出流は不規則に拡散し、ある瞬間には図中の吐出流１９のように流下し、別の瞬間には吐出流１９’のように流下した。全時間を総合した吐出流広がり角φについてみると、スライディングゲートの開度が小さいほど吐出流広がり角φは大きくなり、図１４の黒丸で示す結果が得られた。
本発明ゲートの吐出流の挙動を、図１２（Ａ）に模式的に示す。吐出流１９は時間的に不規則に変動することはなく、比較的小さな吐出流広がり角φで広がり、スライディングゲートの開度が小さいほど吐出流広がり角φは小さくなり、図１４の黒三角で示す結果が得られた。

図１４から明らかなように、連続鋳造中における取鍋２１のスライディングゲート１で用いられる開度範囲においては、通常ゲートに比較し、本発明ゲートの方が吐出流広がり角φが小さくなることが判明した。
なお、スライディングゲート１の下方に配置する下部ノズル１１の形状については、取鍋底部に設けるスライディングノズルの下方に配置する通常の下部ノズル形状を採用すればよい。

《連続鋳造で用いる溶融金属の注湯装置》
連続鋳造においては、取鍋内に収容された溶融金属を注湯するための注湯装置として、図１、図１３に示すように、取鍋２１の底部に設けたスライディングゲート１の下方に、取鍋２１から流下した溶融金属を収容する中間容器２２と、スライディングゲート１から流下する溶融金属流を取り囲むように配置した耐火物製の囲繞管１３とを有する。囲繞管１３として具体的には注入管１４やロングノズル（図示せず）が用いられる。中間容器２２はタンディッシュ２５と呼ばれる。図１、図１３にはタンディッシュ壁上端２７を図示している。

図１０、１１に示す形状を有する従来のスライディングゲート（通常ゲート）を用いた場合、図１３に示すように、囲繞管１３の内周の地金付着部２６に地金の付着が見られた。スライディングゲート１として通常ゲートを用いて絞り注入を行ったとき、吐出流広がり角φが大きくなることが原因と考えられる。それに対して、図２〜４に示すような本発明のスライディングゲート（本発明ゲート）を用いて、図１に示すような配置としたとき（「囲繞管を設けた本発明の溶融金属の注入装置」という。）、通常ゲート使用時と比較し、囲繞管の内周に付着する地金付着量が大幅に低減することが認められた。

囲繞管１３を設けた本発明の溶融金属の注入装置において、囲繞管１３の内部空間は、円筒もしくは矩形の水平断面形状を有し、スライディングゲート１の流路孔の内径をＤとしたとき、囲繞管１３の内径は３×Ｄ以上であり、取鍋から流下する溶融金属流が大気から遮断されていると好ましい。

囲繞管１３として注入管１４を用いる場合、図１に示すように囲繞管蓋１５と下部ノズル１１との間を大気と遮断し、囲繞管１３下端をタンディッシュ内の溶鋼（溶融金属２３）中に浸漬することにより、取鍋２１から流下する溶融金属流が大気から遮断される。囲繞管１３を下部の注入管と上部のシール管の２段構造とし、注入管の上端をタンディッシュ蓋上に載置し、タンディッシュ蓋と取鍋底部との間をシール管によって十分にシールする構造としても良い。タンディッシュとタンディッシュ蓋によってタンディッシュ内の空間が十分に大気から遮断される構造であれば、注入管の下端がタンディッシュ内溶鋼中に浸漬していなくても、取鍋から流下する溶融金属流が大気から遮断される。

囲繞管としてロングノズルを用いる場合、ロングノズルの上端と下部ノズルとの間を十分にシールし、ロングノズルの下端をタンディッシュ内の溶鋼中に浸漬することにより、取鍋から流下する溶融金属流が大気から遮断される。

囲繞管の内部空間は、円筒もしくは矩形の水平断面形状を有するものとすれば、囲繞管を容易に形成することができる。

上記のように、スライディングゲート１のプレート２の流路孔６の内径をＤとしたとき、囲繞管１３の内径は３×Ｄ以上であることが望ましい。これよりも小さい内径にした場合、たとえ本発明のスライディングゲートを用いたとしても、囲繞管の内周に落下流が触れ、地金が付着することとなる。

囲繞管内周部の入口側から出口側への角度については、垂直とするのではなく、入口側から出口側に行くに従って内周の口径が大きくなり、垂直との角度差が１°以上であることが望ましい。これにより、囲繞管内周に付着した地金が、連々続鋳造での取鍋交換の間に自然冷却されて凝固・収縮する際に剥離して剥がれ落ちていくので、結果として地金付着防止効果をさらに向上することができる。囲繞管の内径や抜き勾配の大きさは、常識的な範囲内で定めればよく、一般的な形状で構わない。

試験連続鋳造装置において、本発明を適用した。タンディッシュ容量は０．７トンである。溶融金属の注湯装置として、取鍋２１底部には溶融金属の流量を調整するスライディングゲート１を有する。スライディングゲート１の下方に下部ノズル１１を配置する。図１（本発明例）、図１３（比較例）に示すように、囲繞管１３として注入管１４を用いる。囲繞管１３の上端に囲繞管蓋１５を有し、囲繞管蓋１５の開口と下部ノズル１１との間を十分にシールしている。囲繞管１３の下端は、タンディッシュ内の溶融金属表面２４より下方にあり、囲繞管１３は溶融金属２３中に浸漬している。スライディングゲート１は溶融金属が通過する流路孔６が形成された３枚のプレート２を有し、中央のプレートは摺動が可能なスライド板４である。

スライディングゲート１として、下部ノズル１１内で旋回流を形成する本発明のスライディングゲート１（以下「本発明ゲート」という。）と、従来から用いられている通常のスライディングゲート１（以下「通常ゲート」という。）とを準備した。本発明ゲート、通常ゲートのいずれも、プレート２の流路孔径はφ４０ｍｍ、プレート厚みは３０ｍｍである。
プレート２の摺動面３０に垂直な下流方向（摺動面垂直下流方向３２）と流路軸線方向１０とがなす流路軸線傾斜角度αについては、上固定板３のαをα₁、スライド板４のαをα₂、下固定板５のαをα₃と順に番号を付ける。摺動面流路軸線方向３１が摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りになす角度である流路軸線回転角度θについても同様に、上固定板３、スライド板４、下固定板５それぞれのθをθ₁、θ₂、θ₃と順に番号を付ける。

本発明ゲートは、図２〜図４に示す形状を有し、α₁＝α₃＝３５．５３１°、α₂＝３２°であり、θ₁＝３６．１０１°、θ₂＝９０°、θ₃＝−１４３．８９９°（３６．１０１−１８０）であり、下部ノズル１１内孔に流下する溶鋼流に時計回りの旋回流を形成する。通常ゲートは、図１０、１１に示す形状を有し、α₁＝α₂＝α₃＝０°であり、θ₁、θ₂、θ₃は値がない。

連続鋳造中における、注入管１４への地金の付着量を評価するため、「地金付着量」指標を導入した。試験連続鋳造機での連続鋳造を行い、連続鋳造後の注入管１４に付着した地金の重さを計量した。単位時間あたりの給湯溶鋼流量はおよそ平均７０Ｌ／ｍｉｎであり、鋳造時間はおよそ２分（溶鋼量９８０ｋｇ）である。連続鋳造用注湯装置として使用したスライディングゲートごとに、地金付着量について図１５に示す。図１５から明らかなように、通常ゲート使用時と比較し、本発明ゲートを使用したときの地金付着量の低減効果が明らかである。

１ スライディングゲート
２ プレート
３ 上固定板
４ スライド板
５ 下固定板
６ 流路孔
７ｕ 上流面（上流側表面）
７ｄ 下流面（下流側表面）
８ｕ 上流開孔（上流側表面開孔）
８ｄ 下流開孔（下流側表面開孔）
９ｕ 上流開孔重心（上流側表面開孔図形重心）
９ｄ 下流開孔重心（下流側表面海溝図面重心）
１０ 流路軸線方向
１１ 下部ノズル
１２ 下部ノズル内孔
１３ 囲繞管
１４ 注入管
１５ 囲繞管蓋
１８ 流線
１９ 吐出流
２１ 取鍋
２２ 中間容器
２３ 溶融金属
２４ 溶融金属表面
２５ タンディッシュ
２６ 地金付着部
２７ タンディッシュ壁上端
３０ 摺動面
３１ 摺動面流路軸線方向
３２ 摺動面垂直下流方向
３３ 摺動閉方向
α 流路軸線傾斜角度
θ 流路軸線回転角度

Claims (4)

1. 取鍋内に収容された溶融金属を注湯するための注湯装置であって、
   取鍋底部には溶融金属の流量を調整するスライディングゲートを有し、
   前記スライディングゲートは溶融金属が通過する流路孔が形成された複数のプレートを有し、前記プレートのうちの少なくとも１枚のプレートは摺動が可能なスライド板であり、
   それぞれのプレートにおける流路孔は、プレートの表面のうち、通過する溶融金属の上流側に位置する上流側表面に上流側表面開孔を形成し、下流側に位置する下流側表面に下流側表面開孔を形成し、上流側表面開孔図形の重心から下流側表面開孔図形の重心に向く方向を流路軸線方向とし、
   プレートの摺動面に垂直な下流方向（以下「摺動面垂直下流方向」という。）と前記流路軸線方向とがなす流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下であり、
   前記流路軸線方向を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向と呼び、スライディングゲートを閉とするときに前記スライド板を摺動する方向を摺動閉方向と呼び、摺動閉方向に対し、前記摺動面流路軸線方向が、前記摺動面垂直下流方向に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θ（±１８０度の範囲）と呼び、当該流路軸線回転角度θは、隣接するプレート間で異なっており、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付け、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1（Ｎは１以上の整数でプレートの枚数−１まで）としたとき、
   角度Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であることを特徴とする溶融金属の注湯装置。
2. 前記スライディングゲートの下方に、スライディングゲートから流下する溶融金属流を取り囲むように配置した耐火物製の囲繞管と、取鍋から流下した溶融金属を収容する中間容器とを有することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の注湯装置。
3. 前記囲繞管の内部空間は、円筒もしくは矩形の水平断面形状を有し、
   スライディングゲートの流路孔の内径をＤとしたとき、前記囲繞管の内径は３×Ｄ以上であり、取鍋から流下する溶融金属流が大気から遮断されていることを特徴とする請求項２に記載の溶融金属の注湯装置。
4. スライディングゲートを形成するプレートの数が２枚もしくは３枚でありスライド板が１枚であることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の溶融金属の注湯装置。

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